不同褥垫层厚度CFG桩复合地基室内模型试验研究

段晓沛，曹新文，李芳芳

(1.西南交通大学 土木工程学院，成都 610031;2.西南交通大学 希望学院，四川 南充 637900)

CFG桩复合地基的核心是设置垫层。如果垫层太“软”，虽有桩刺入，但荷载转移的效果不明显，桩间土发挥作用不好;如果垫层太“硬”，使桩体无法刺入，则也不能转移荷载，这个“刺入”与垫层的“软”与“硬”的限制就是垫层设计的条件［1］。

本文以厦门市环东海域火炬工业园工程场地为背景，通过建立室内模型试验，分析研究褥垫层厚度对桩土应力比和变形沉降的影响。探讨褥垫层厚度的合理设计要求，为工程实践中进行现场试验、模型试验以及数值分析提供依据和支持。

1 室内模型试验

1.1 试验装置与试验方法

试验在钢质模型箱内进行，试验箱尺寸:3.0 m×3.0 m×2.4 m(长×宽×高)。本次试验采用两桩复合地基，桩距30 cm，桩长1.2 m，桩径10 cm。平板载荷试验承压板采用50 cm×50 cm的方形钢板，加载设备采用油压千斤顶，千斤顶合力中心与荷载板中心重合。荷载测量采用联于千斤顶的压力表测定油压，按率定曲线换算荷载［2］。试验方法采用沉降相对稳定法。

1.2 试验步骤

砂土分 5 层填筑，标记为 S1、S2、S3、S4、S5，其中S5填筑高度为40 cm，其余层为30 cm。砂的密实度按孔隙比0.6控制，填筑前先计算出孔隙比0.6的砂土的密度，得出每层所需砂土的重量，按计算重量进行填筑。每层填筑完毕后，用机械振动夯实，将砂层分界线压实到事先在试验箱四周标示好的位置。在桩底、桩顶以及每层两桩连线中心处布设土压力盒。

2 试验成果与分析

2.1 桩土应力比

由图1可知，桩土应力比随荷载的增大而增大。在加载初期，桩土应力比随荷载的变化速率较大，在加载后期，桩土应力比随荷载的变化逐渐减缓，桩土应力比趋向于一稳定值。当褥垫层厚度h在一定范围内，同荷载水平下，桩土应力比随褥垫层厚度的减小而增大。褥垫层厚度减小为20 cm，在加载初期桩土应力比很小，当荷载板下应力大于60 kPa左右时，桩土应力比随荷载的变化速率显著增加。褥垫层厚度减小到10cm后，桩土应力比随荷载的变化速率在加载始终都比较小，且在加载后期，同荷载水平下，相对于褥垫层厚度较大的情况，桩土应力比显著减小。

图1 桩土应力比随荷载的变化曲线

2.2 桩顶反力与桩底土压力

图2、图3分别给出了不同褥垫层厚度下桩顶反力、桩底土压力随荷载的变化曲线。由图2可知，在加载初期，不同褥垫层厚度桩顶反力随荷载的变化曲线大致相同。随着荷载的增大，在同荷载水平下，褥垫层厚度越小，桩顶反力越大，褥垫层厚度减小为20 cm时，桩顶反力随荷载的变化速率显著增大。褥垫层厚度减小为10 cm时，桩顶反力随荷载的变化曲线反而与褥垫层厚度为30 cm时大致相同。由图3可见，随着荷载的增加，桩底土应力随着荷载的变化速率逐渐增大。同荷载水平下，褥垫层厚度为20 cm时桩底土压力最小。

图2 桩顶反力随荷载的变化曲线

图3 桩底土应力随荷载的变化曲线

2.3 桩间土的竖向应力分布特征

图4给出了不同褥垫层厚度在两级不同荷载下桩间土竖向应力分布，图例中h表示褥垫层厚度，后面数值表示荷载级别的大小。由图4可见，总体上，桩间土竖向应力在桩顶平面处最大，随着深度的增加，逐渐递减。在小荷载作用下，0.3 m深度以下，桩间土竖向应力很小，且沿深度的递减速率几乎为0。随着荷载的增加，在0.3 m深度以上，桩间土竖向应力随着褥垫层厚度的减小而增大，而在0.9 m深度左右，褥垫层厚度较大的情况下，桩间土竖向应力沿深度的增加而出现递增现象。

图4 桩间土竖向应力分布

2.4 褥垫层作用机理讨论

根据试验所得结果，结合CFG桩复合地基在荷载作用下的变形特性，分析褥垫层厚度的设计对桩、土相互作用以及沉降的影响。

在试验加载初期，由于桩顶以上褥垫层更易被压缩，桩顶上刺入量大于桩端的下刺入量。根据试验实测结果得知，在加载初期，加固区的压缩以桩顶上刺入量为主，所以本试验加固区压缩主要考虑桩顶的上刺入量［3］。褥垫层厚度的不同直接影响桩顶的反向刺入过程［4］。在加载初期，随着荷载的增加，桩顶以上的褥垫层首先出现塑性区，继而桩与桩间土产生较大的位移，桩顶刺入褥垫层。由于本试验中褥垫层铺设过程中没有进行人工压实，比较松散，在加载初期，不同厚度的褥垫层桩顶的反向刺入量相同。图2不同褥垫层厚度在加载初期桩顶反力随荷载的变化曲线重合，与理论分析正好吻合。

当荷载增大到一定值后，由于桩顶的反向刺入，桩与桩间土发生相互作用，不同褥垫层厚度出现不同的变形特性。当褥垫层厚度较大时，垫层模量很小，在荷载作用下压缩空间比较大。桩顶的反向刺入，周围垫层不能提供很强的约束作用，桩顶垫层发生塑性流动，使褥垫层在桩顶反力作用下产生过大的压缩变形，桩顶“不收敛”地刺入褥垫层［5］。桩通过垫层传给桩间土的荷载较小，从而引起桩间土对桩侧约束力较小，图4桩间土的竖向应力分布中，与褥垫层厚度较小的情况相比，褥垫层厚度为40 cm、30 cm时反映了此现象。桩间土的约束作用较小，桩承担的荷载传递到桩端的部分相对较大，图3不同褥垫层厚度桩底土应力随荷载的变化规律与理论分析结果相似［6］。桩端力较大，在持力层相同的情况下，褥垫层厚度较大的桩端的下刺入量较大，桩端位置附近处，桩与桩间土发生较大的相对位移。在桩端位置附近，桩间土的压缩量较大，桩间土的应力较大。于是出现了图4中0.9 m深度左右，褥垫层厚度较大的情况下，桩间土竖向应力沿深度的增加而出现递增的现象。当褥垫层厚度为20 cm时，在加载初期，能够保证桩顶“适度”地刺入，桩周褥垫层能够有效地限制桩顶垫层的塑性流动，垫层能够很好地发挥协调作用。桩间土承担较大的荷载，桩间土对桩侧约束作用较大，桩承担的荷载大部分由桩侧阻力承担，桩端阻力很小，桩端刺入量很小。随着荷载的增加，桩发生向上刺入，同时垫层压缩量逐渐减小，模量逐渐变大，桩顶的刺入量越来越小，桩顶反力显著增大。图2～图4从侧面反映了桩的变形特性以及桩与桩间土的相互作用关系。当褥垫层厚度为10 cm时，桩顶刺入量很小，垫层起不到应有的桩土协调作用［7］。图1当褥垫层厚度为10 cm时，在加载始终桩土应力比随荷载的变化很小反映了此现象。

图5给出了不同褥垫层厚度在荷载作用下的沉降曲线，当褥垫层厚度为20 cm时，荷载板的沉降最小，当荷载减小到10 cm后，承载板的沉降反而增大，这与以上分析的受力变形刚好一致。

图5 荷载板的沉降曲线

3 结语

本文通过室内模型试验，以厦门地区吹填土作为研究对象，通过设计不同的褥垫层厚度，对王年云、郑刚等提出的“适度”褥垫层厚度理论进行分析论证，得出合理的褥垫层厚度设计对桩、土受力的相互协调作用以及控制变形沉降的重要性。本文通过试验结果分析得出以下结论:

1)合理的褥垫层厚度设计应该保证桩顶反向刺入过程中，对桩周土以上垫层有一定的挤压。在竖向荷载作用下垫层挤压桩间土，桩间土受力对桩体产生侧向约束，桩间土的侧向约束反过来能够有效地限制桩的向下刺入。随着荷载的增加，桩顶反向刺入增大，桩顶进一步挤压垫层，桩间土通过垫层作用承担荷载增大，这样桩、土通过垫层的协调作用可以有效地发挥二者的承载力，进而提高复合地基的承载力。

2)通过合理的褥垫层厚度设计可以有效地提高桩侧摩阻力，减小桩端阻力，进而减小桩端的下刺入量。这样，可以通过设计合理的褥垫层厚度来弥补桩端持力层性质差的缺陷。

3)合理的褥垫层厚度设计可以有效地控制刚性基础的沉降。

［1］王年云.刚性桩复合地基设计的探讨［J］.武汉城市建设学院学报，1996，16(2):45-47.

［2］闫宏业，叶阳升，蔡德钩，等.CFG桩复合地基持力层模型试验研究［J］.铁道建筑，2009(7):44-48.

［3］池跃君.刚性桩复合地基承载及变形特性试验研究［J］.中国矿业大学学报，2002，31(3):238-240.

［4］杨素春.CFG桩桩土应力比及褥垫层厚度研究［J］.工业建筑，2004，34(6):44-46.

［5］郑刚.不同褥垫层厚度刚性桩复合地基工作特性研究［J］.岩土力学，2006，27(8):1358-1360.

［6］池跃君.刚性桩复合地基应力场分布的试验研究［J］.岩土力学，2003，24(3):340-342.

［7］韩云山.垫层对 CFG桩复合地基承载力评价的影响研究［J］.岩石力学与工程学报，2004，23(20):3499-3502.